스테인리스강의 열처리, 스테인리스강 소성가공 (가공경화), 스테인리스강 용접, 오스테나이트계 스테인리스, 마르텐사이트계 스테인리스

 

<기출> 

• 금속 23-1-8 오스테나이트계 스테인리스강을 용접한 다음 고용화 열처리를 하는 목적에 대하여 설명하시오.
• 금속 23-4-5 오스테나이트계 스테인리스강 소성가공 시 기계적 성질에 대하여 설명하고, 가공 경화가 발생하는 원인과 절삭가공이 곤란해지는 이유에 대하여 설명하시오.
• 금속 22-4-5 STS304 판재를 절삭유 없이 절삭 가공 시 2차 가공이 어려워지는 원인을 설명하시오.
• 금속 19-3-6 18-8 Austenite계 스테인리스 주강에 적용하는 용체화 처리, 안정화 처리, 응력제거 열처리에 대하여 각각 설명하시오.
• 금속 19-4-3 오스테나이트계 스테인리스강의 용접 시 발생하는 고온 균열(Hot Crack)의 원인과 방지대책에 대하여 설명하시오.
• 금속 18-3-1 오스테나이트계 스테인리스강에서 응력부식균열(stress corrosion crack) 특징과 방지 대책을 설명하시오.
• 금속 17-2-6 18-8 Austenite계 Stainless Steel에 적용하는 ① 용체화처리, ② 안정화처리, ③ 응력제거 열처리를 각각 설명하시오.
• 금속 15-2-5 오스테나이트계 스 태인리스강 (austenitic stainless stee]) 과 탄소강 (carbon stee]) 을 GMAW(gas metal arc, 혹은 MIG (metal inert gas) 라고도 부름)로 용접 시 보호가스 (shield gas)로 C02를 사용하면 좋은 용접 이 되 질 못 한다 그 이 유를 각각의 재료에 대해 설명하시오
• 금속 15-4-6 다음의 두 스테인리스강(stainless stee])은 조성 이 비슷하며， 또 상온에서도 오스테나이트 조직을 보이는 301, 302 오스테나 이 트 스테인리스강(austenite stainless stee]) 이다 (a) 두 301, 302 스테 인 리 스강 (stainless stee]) 의 조성 으로부터 어 느 것 의 Ms (Martensite 개시) 온도가 더 낮을까? 또 그 이유는 무엇인지 설명하시오. (b) 두 스테인리스강의 상온 O- E 곡선이 다음 그림과 같다. 곡선 A 스테인리스강이 B -스테인리스강에 비해 높은 변형 (high strain) 영역에서 훨씬 더 큰 강도를 보이고 있다. 곡선 A는 301, 302 중 어느 것일까? 그 이유를 간략히 설명하시오.
• 금속 14-2-3 스테인리스강에서 판재나 봉재 또는 주조품을 절삭유없이 절삭가공하면 소재가 가공경화되어 2차 절삭가공이 곤란해지는 이유를 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 스테인리스강 정의

 철의 내식성 부족을 개선할 목적으로 만들어진 내식용 강의 총칭 (전혀 녹슬지 않는다는게 아니라 잘 녹슬지 않음) 
Cr이 적절히 포함되있는 합금강으로, Cr이 표면층 및 내부에 산화피막을 형성하여 부식을 지현시킴 

스테인리스강

 

2) 스테인리스강 분류 

Fe-Cr계의 페라이트계 스테인리스강
Fe-Cr-Ni계의 오스테나이트계 스테인리스강, 석출경화계로 나뉘고 
페라이트계 스테인리스강은 크롬 함량에 따라 마르텐사이트계로 다시 나뉨 

200번 계열 : 크롬-니켈-망간계 (오스테나이트계)
300번 계열 : 크롬-니켈계 (오스테나이트계)
400번 계열 : 크롬계 (마르텐사이트 및 페라이트계)
600번 계열 : 크롬-니켈계 (고강도 석출경화계)

 

 

2. 스테인리스강 분류 및 열처리 

 

1) 페라이트계 스테인리스강 (Fe-Cr계)

상온에서 철의 결정계인 체심입방결정 속에 많은 크로뮴을 녹여서, 산화될 때 철과 크로뮴의 양쪽 산화막을 표면에 만들어 내부를 보호하도록 한 것 

(1) 특징 

• 내열합금에는 27% 크로뮴 스테인리스강 사용
• 용접열 영향에 의해 입계부식이 생기기 어려움 (부품 제작 공정 간소화 가능) 
• 박판은 단면수축률이 뛰어나 가공성이 좋으나, 후판재는 기계적 성질, 인성 저하가 쉽고 열영향부에 결정립이 성장하여 내충격성이 실온 직하에서 급격히 떨어짐 
• 퀜칭 후 경화성 없음 
• 자성 존재 
• 오스테나이트계 스테인리스에 비해 내응력 부식균열이나 내극간 부식성이 현저하게 뛰어남 (가정용온수기 제작시 꼭 필요) 
• 용접작업시 예열, 후열이 불필요함 (퀜칭 후 경화성 없음) 
• 마르텐사이트계 : 13%의 크로뮴을 첨가한 크로뮴스테인리스강이 유명 (낮은 크롬 함량은 담금질시 마르텐사이트 변태가 발생하므로 마르텐사이트스테인리스강으로 구분됨)

(2) 대표적인 페라이트계 스테인리스강

• STS410 (마르텐사이트계)
• STS430 (페라이트계)

(3) 열처리

① 어닐링 후 공랭

가공에 의한 경화를 제거하고 부드러운 인성 부여, 900도 이상에서는 결정립이 몹시 조대화되고 굽힘과 충격치가 저하하여 사후 열처리로도 고쳐지지 않음 

페라이트계 스테인리스강 열처리, KS D 3698

 

 

2) 마르텐사이트계 스테인리스강

크롬을 약 13% 함유한 걸으로, 13% 크롬계 스테인리스강이라고도 함 
낮은 크롬 함량은 담금질시 마르텐사이트 변태가 발생하므로 마르텐사이트스테인리스강으로 구분됨
이 종류의 스테인리스들은 고온에서 오스테나이트화 한 후 퀜칭 (950 ~ 1050도)에 의해 마르텐사이트 조직을 가직 ㅗ있음 
즉, 열처리에 의해 경화하고 담금질성을 가짐

마르텐사이트 스테인리스강 조직 사진, HRD

(1) 특징 

• 퀜칭 후 경화성 있음  (열처리에 의해 경화됨)
• 자성 존재 (강자성; 자력에 반응함)
• 담금질성을 가짐 
• 열팽창율 및 열전도율이 탄소강에 가까움 : 자동차의 배기 부품에 적용되기도 함 (가열시 소재 변형이 적음) 
• 비교적 내식성
• 일반용품, 기계부품용, 칼종류, 메스 등의 외과 의료기, 밸브, 트립부품, 증기터빈 블레이드 등에 사용 
• 가격변동이 큰 Ni를 포함하지 않가 가격이 저렴하고 안정적임 

(2) 대표적인 강종 (KS D 3698-2001)

• STS410
• STS410S (저탄소)
• STS420J1
• STS440A 

기호	화학성분[wt%]				기계적 성질(어닐링)
	C	Si	Mn	Cr	내력[MPa]	인장강도[MPa]	연신율[%]
STS 410	0.15 이하	1.00 이하	1.00 이하	11.50~13.50	205 이상	440 이상	20 이상
STS 410S	0.08 이하			11.50~13.50	205 이상	410 이상	20 이상
STS 420JI	0.16~0.25			12.00~14.00	225 이상	520 이상	18 이상
STS 440A	0.06~0.75			16.00~18.00	245 이상	590 이상	15 이상

(3) 열처리 

마르텐사이트계는 열간가공한 상태로는 일반적으로 경화하여 있으므로 절삭이나 냉간가공을 위해서는 어닐링을 통해 연화해햐함

① 완전 어닐링 

변태점 이상 50 ~ 100도 (즉 850 ~ 900도 정도)로 가열, 유지 후 서냉 (오스테나이트 → 페라이트 + 탄화물(시멘타이트)) 

유지시간은 1 ~ 3시간이 적당, 냉각 속도는 30도/시간 이하로 함 (서냉)

550 ~ 750 냉각에 주의한다 (고온 취성) 

기본열처리 - 풀림(Annealing), 소둔

 

② 프로세스 어닐링 (등온어닐링, 연화어닐링) 

완전 어닐링이 서냉에 너무 시간이 많이 들어 (30도/시간으로 낮춰야하니 상당한 시간이 발생함) 짧은 시간에 연화 목적 확보 

제조 공정 중 가공을 용이하게 하기 위해 사용

1~3시간 유지하나, 탄소가 많을수록 시간을 길게 함 

 

③ 담금질

변태점 이상으로 가열하여 탄화물을 오스테나이트 상 중에 충분히 고용시킨 후 급랭하여 마르텐사이트 변태

Cr함유량이 높아 C의 확산이 느리므로 충분히 확산시켜야함 (안그러면 담금질이 안됨) 
: 따라서 담금질 온도를 변태점보다 높게 하고 유지시간도 25mm 당 1시간 이상 충분히 해야함 

담금질 온도가 너무 높으면 잔류 오스테나이트가 많아져 유연해짐 (연화됨) → 이는 추후 템퍼링시 마르텐사이트로 변화하여 인성 등에 영향을 줄 수있으므로 (2차 경화) 주의해야함 (C, Ni가 많을수록 잔류오스테나이트가 많아짐)

기본열처리 - 담금질 (Quenching)

 

④ 템퍼링 

크롬계 스테인리스강을 담금질시 잔류 오스테나이트가 생기기 쉬워 템퍼링 미실시시 추후 담금질 균열이 발생할 수 있음 (내부에서 변태가 서서히 발생) 

담금질 후 반드시 곧바로 템퍼링함 (응력 제거)

보통 100 ~ 350도 범위에서 실히사며, 경도나 강도는 별로 저하되지 않지만 인성이 회복됨 

기본열처리 - 뜨임 (Tempering)

 

3) 오스테나이트계 스테인리스강

Fe-Cr-Ni계 스테인리스강, 니켈이 있어 상온에서도 오스테나이트 조직을 유지한다 

18-8 스테인리스강이 대표적 (Cr18%, Ni8%) 
열처리로 경화되지 않고 연화되는 오스테나이트 조직, 비자성이나 냉간가공시 일부 마르텐사이트화되어 약간의 자성이 생김 

STS304 강의 표준조직에 Cr, Ni, C 함유량을 약간 감소시켜 과도하게 가공시 마르텐사이트가 생성되며, 고경도가 되며 자성이 생길 수 있음

본 강종은 가공경화하는 것으로 고강도가 얻어짐
L재 (저탄소)는 용접열영향을 수반하여 입계부식이 생기기 어려움 (가장 적합) 
가공시 마르텐사이트가 생성되어 내식성 저하 

(1) 특징 

• 내식성 양호 (페라이트계 대비) 
• 퀜칭 후 경화성 없음 (열처리로는 경화되지 않고 냉간가공으로만 경화) 
• 비자성 (일부 전자부품, 의료기기, 특수병기 등에 사용) 
• 냉간가공 외 다른 방법으로 경화시킬 수 없음 (마르텐사이트 변태 방지) 
• 용접성 우수, 고온강도, 저온취성 우수 
  : 600도에서도 인장강도는 탄소강 대비 3~5배 크고(STS304) 고온기계부품에 사용됨
   -200도에서도 샤르피 충격치가 변함이 없어 초전도기계부품이나 액화 LPG 기계부품에 적당함 
• 인성 우수 (금속조직이 FCC라 연성과 가공성이 우수함) : 니켈 덕분에 FCC 조직 유지 

(2) 대표 강재

• STS304 (주방용품, 의료용품으로 가장 많이 사용됨) 
• STS316

(3) 열처리

① 고용화 열처리 

18-8 스테인리스강의 기본적인 열처리

용접이나 냉간가공에 의해 생긴 탄화물, 마르텐사이트를 고용시켜 오스테나이트 단상으로 만드는 방법 (가공 조직을 재결정하고 유연한 상태로 하여 연성의 회복 및 내식성을 증대 - 마르텐사이트가 내식성이 적으므로), 냉간가공 또는 용접에 의해 생긴 내부 응력 제거

가열온도는 1050도가 적절 (가열온도가 높을수록 충분히 고용, 확산되고 연화되나 결정립이 성장하고 산화 스케일이 생겨 좋지 않음)

유지시간은 25mm당 1시간 기준 // 냉각은 500 ~ 900도 범위에서는 급랭해야함 (서랭시 Cr탄화물 생성 가능) 

오스테나이트계 스테인리스강을 용접한 다음 고용화열처리 하는 이유

용접시 고온 가열 / 급냉으로 Cr탄화물이나 마르텐사이트 변태가 발생함 
이는 균열을 야기하고 취성의 성질을 가지며 내식성이 떨어지기 때문에 (Cr함량 적어짐, 마르텐사이트화) 이들을 고용시켜 오스테나이트 단상으로 만들어야함 (열처리시 연성의 회복 및 내식성을 증대)
또한 용접으로 인한 불균형한 열의 영향으로 내부 응력이 복잡하게 발생을 하여 추후 변형을 야기할 수 있으므로 이 또한 고용화 열처리로 제거 

 

 

② 안정화 열처리 

Ti나 Nb를 첨가한 강종에 해당 

Cr 탄화물을 석출하는 온도보다 높은 온도에서 Ti나 Nb를 첨가시켜 안정된 탄화물을 석출케하여 (TiC, Nb-C) 강의 입계 부식을 방지 

Nb 첨가시 STS347, Ti첨가시 STS321

온도가 너무 높아지면 (1100도 이상) Ti, Nb 탄화물은 거의 고용하여 안정화의 효과가 없어지고 입계부식에 대한 감수성이 생김 

이와 같은 내식성의 저하 (입계부식에 대한 감수성)는 850 ~ 900도에서 2~4시간 유지후 공랭하여 회복 가능 (안정화 열처리)

용접 후 냉각시 Cr탄화물이 석출되어 내식성을 저하시키는 경우가 있는데 안정화 열처리가 효과가 있음 (+ 내부응력제거 효과) 

 

입계부식 (Intergranular corrosion)

오스테나이트 스테인리스강의 예민화온도구역인 500 ~ 900도에서 탄소원자는 입계에 쉽게 확산되어 Cr탄화물 형성 (Cr-C)
Cr탄화물이 석출되면 결정립계 및 주변 부위에 Cr량이 감소하고, 스테인리스강의 성질이 없어지며 부식이 발생함 
해당 현상을 18-8 스테인리스강 (오스테나이트계 스테인리스강)의 입계부식 현상이라 함 

방지 방법으로 용체화 처리(고용화열처리), 탄소안정화원소 첨가 (Nb, Ti), 저탄소강 사용(탄소량이 부족하여 입계부식 방지 - STS304L, STS316L) 등이 있음 

입계 부식

 

③ 응력 제거 열처리 (SRA; Stress Release Annealing)

가공 후 변형 등 응력이 남아있는 경우 응력 부식 균열을 초래함 → 부식 균열의 우려가 있을떄는 응력제거열처리가 필요함 (응력부식) 

온도 범위는 보통 800 ~ 900도 범위 

가열온도가 적절하지 않으면 크롬 탄화물이 석출되어 내식성이 악화되거나 취화될 수 있어 조심해야함 (응력이 제거되기보다 악영향이 많을 수 있어서 조심해야함)

오스테나이트계 스테인리스강 열처리

 

응력부식균열 (SCC)

응력부식균열(SCC; Stress Corrosion Cracking)
인장응력하에 있는 금속재료가 재료와 부식환경이 특징적인 조합하에서 취성적으로 파괴되는 현상
입계균열과 입내균열이 있음 

응력상태에 의해 재표 표면 크랙 → 발생된 균열의 성장 → 미세 크랙들이 하나의 큰 크랙으로 결합 → 크랙의 전파 및 재료 파괴 
응력확대계수가 증가하다, 재료의 파괴 임계점을 넘을 경우 파괴 거동 발생 

응력부식균열을 예방하려면 
1) 사용재료를 변화 (부식현상이 발생하지 않는 재료)
2) 내부응력을 더 잘 저항하고 민감하지 않은 소재 

탄소강에서 퀜칭 후 내부응력을 완화하기 위해 높은 온도에서 템퍼링 처리함으로써 조직의 내부 응력 완화 

응력부식균열

응력부식의 단계

 

4) 석출 경화계 스테인리스강

석출경화계 스테인리스강(P-H)는 석출 기구로 마르텐사이트계, 오스테나이트계, 오스테나이트-페라이트계의 3분류가 있음 
(P : 석출, H : 경화) 

(1) 특징 

• 오스테나이트에 고용하고 마르텐사이트에 고용하지 않는 화합물을 마르텐사이트 기지 (matrix)로부터 석출시킨 것 
• 마르텐사이트 변태에 의해 경화시키고 + 석출 경화시켜 강도를 증가시킨 것

(2) 대표 강재

• STS631이 대표적인 강재 (고용화열처리 → 오스테나이트화 → 마르텐사이트 변태 → 석출 처리)
• STS631은 17Cr-7Ni이므로 17-7PH로 불리기도 함 

STS631의 표준 성분(%), HRD

5) 듀플렉스강 (Duplex Stainless Steel)

기존 오스테나이트계 스테인리스에 Cr의 함량을 더 높이고 약간의 Mo를 추가한 강종 
25% Cr에 2~3Mo 포함 
오스테나이트계와 페라이트계를 적절히 혼합된 조직.
(Ferrite기지위에 50%정도의 Austenite조직이 공존하는 Dual Phase조직)

이 강종의 특징은 기존 Austenitic Stainless Steel이 입계부식(Intergranular Corrosion) 및 응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking)에 민감한 단점 보완 목적 개발된 강종

(1) 특징 

• 일반적인 스테인리스보다 높은 내식성과 강도 
• 응력부식균열 (SCC) 내성 높음 
• 기계적 성질 우수 (오스테나이트계보다 2배 2상의 강도) 
• 열팽창계수 낮음, 용접성 좋음 
• 원자력발전, 담수화 설비 등에 사용
• 페라이트구조가 섞여있어 자성을 가지고 있음 
• 높은 가격과 성형성의 한계로 많이 사용하지 못하고 있음 

(2) 대표 강재

• SAF2205 (UNS No. : S31083)
• SAF2507 (UNS No. : S32750)

듀플렉스강

 

 

3. 스테인리스강의 용접

스테인리스강은 특수강 중 비교적 용접하기 쉬운 합금강
피복아크용접, 불활성가스아크용접, 저항용접, 서브머지드아크용접 등이 사용됨 

 

1) 용접성

(1) 오스테나이트계

• 오스테나이트계는 강의 변태가 없고 인성이 풍부하며 담금질 경화성이 없으므로 용접성이 가장 우수함 
• 열팽창이 크고 가열시 균열이 발생될 우려가 있으므로 (마르텐사이트화) 후판 용접을 제외하면 예열은 실시하지 않음

(2) 페라이트계

• 담금질 경화성이 없으므로 용접에 의해 경화되지는 않음 
• 900도 이상으로 가열된 부분은 결정립의 성장에 의해 취약해지므로 과열은 피해야함
• 100도 이내에서 예열하고, 용접 후 상온까지 서랭

(3) 마르텐사이트계

• 용접시 담듬질 경화되어 마르텐사이트 조직이 되어 잔류응력과 냉각 후 균열이 발생되기 쉬움(퀜칭균열), 용접성 나쁨
• 아크용접시 용접 전류를 적게 하고 (온도 감소) 용접 속도를 느리게 하여 경화 방지에 유의
• 가스 용접에서는크롬 탄화물이 석출되지 않도록 탄화불꽃이 아닌 중성불꽃으로 실시 

2024.04.09 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 열처리 결함, 퀜칭균열, 산화, 탈탄현상

 

2) 스테인리스 용접법

(1) 피복아크용접법 (SMAW) 

• 가장 일반적
• 용접봉은 원칙적으로 모재와 같은 재질 사용 
• 탄소강에 비해 약간 낮은 전류를 사용하고, 직류일 경우 역극성 이용 

2024.03.29 - [Mechanical Engineering Study/용접] - 실드금속아크용접 (SMAW; Shielded Metal Arc Welding), 피복아크용접, 탄소아크용접

(2) 불활성 가스 아크 용접법 (MIG, TIG) 

• TIG용접 : 직류용접일때 정극성으로 함 (청정효과)
• MIG용접 : 직류 역극성으로 함 
  스패터가 많아질 경우 아르곤가스에 산소를 혼합시켜 사용함 

2024.03.18 - [Mechanical Engineering Study/용접] - 불활성가스아크용접 (금속, MIG, GMAW 텅스텐, TIG, GTAW), 불활성가스아크용접 이론

 

4. 스테인리스강의 가공 (소성변형) 

오스테나이트계 스테인리스는 냉간가공에 의해 일부 준안정 오스테나이트가 가공유기 마르텐사이트로 변태함 
마르텐사이트 변태시 자성이 형성되고 강도가 증대함 (취성의 성질) 

1) 오스테나이트계 스테인리스강의 소성변형시 강화기구 

(1) 마르텐사이트 변태 (가공유기 마르텐사이트)

• 오스테나이트가 불안정할수록 많이 생성
• 420J2 같은 마르텐사이트계 스테인리스강과는 다른 개념이다 
• 외부 응력에 의해 변형될 경우 변형량에 따라 증가함 
• 변형량이 많을 수록 마르텐사이트 생성량이 늘어나고 스테인리스강은 경화됨 

(2) 가공경화 (Work Hardening) 

• 금속을 냉간가공시 강도와 경도가 증가하고 연율은 줄어듬 
• 상온에서 금속의 유동성이 불량한 상태에서, 큰 외력이 작용하여 내부응력이 증가하여 발생 
• 재결정 온도 이상에서는 가공경화가 발생하지 않음